紫菜烘干机温控系统设计

黄媛媛

【摘 要】随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器适应能力增强和高度智能化的逐步实现。本文介绍的紫菜烘干机温控系统采用PID算法，依据烘干区域不同的温度要求进行实时监控，具有控制精度高、自适应强的特点。实验表明，该系统可以提高紫菜的干制效率，并已投入市场应用。

【关键词】单片机；温控系统；PID

0 引言

随着我国渔业机械自动化水平的不断提高，自动控制技术广泛应用于水产品生产中。其中，紫菜的烘干方法是紫菜加工工艺的关键问题，现在农民通常采用的是粗放型的自然晾晒方式，效率低，营养流失严重，并存在安全卫生隐患。本文针对现阶段紫菜的烘干问题，利用单片机技术设计了紫菜烘干的自动控制方法，提高了紫菜烘干的自动化程度，提升了生产效率，保证了产品质量，节省了人力资源，节约了能源且更加环保。本文的后期研究可以将其扩展为其他水产品的烘干工艺自动控制系统，有利于节能系统的应用与推广，满足了社会发展的需求。

1 工艺

本文采用阶段式烘干工艺，将烘干过程分为多个阶段，每个阶段由若干个“升温+保温”过程组成。这种工艺实用性强，应用广泛。初期阶段，即低温慢速干燥，通过低温加热，模拟自然干燥，使紫菜失水；中期阶段，即中温等速干燥，通过中温加热，是紫菜外形颜色达到预期要求；末期阶段，即高温快速干燥，通过高温加热，使紫菜彻底烘干。

温度传感器将实时采集烘干箱内的温度数据并传输至控制系统，当测量温度大于设定温度时即关闭加热，打开排风机进行散热，当测量温度小于设定温度时即启动加热。同时，主风机将加热的热空气送入烘干箱内，而排风机将热空气从烘干箱经导流管至加热器循环使用，节能环保提高效率。

2 温控系统组成（原理）

本文所述的烘干机是用来烘干紫菜等产品，实现存储目的的装置。采用箱式结构，以热辐射加热为主，采用对流热风循环。烘干机采用1个烘干箱，6个温区，每个温区的测量和控制原理完全相同。烘干过程中，烘干箱内温度的材料和控制范围为0-110℃，显示精度为0.1℃，控制精度小于1℃。基于上述要求进行设计温控系统，以满足烘干机所有的温度、精度。

本文设计的温控系统硬件部分分为：单片机主控模块、输入输出通道模块、报警模块等。如图1所示硬件的总体结构示意图。由图1可见，温控系统由单片机为核心，与外部芯片扩展构成主控模块。烘干箱的温度由温度传感器检测后，通过单片机内置的12位A/D转换器转换成数字信号。数字信号经采样、滤波、标度转换后，一方面将烘干箱内温度由显示器显示，另一方面将该温度值与设定值进行比较，取偏差值按照积分分离的PID控制算法计算得输出控制量。控制输出量通过固态继电器控制加热管的加热时间，从而调节温度变化，使其趋向设定值，实现烘干机的温度控制。

3 温控系统设计（硬件）

3.1 电源电路

电源模块是温控系统重要的组成部分，为系统中各模块提供稳定可靠的工作电压，保证系统正常工作。本系统采用外部12V直流电源供电，经降压处理转换成3.3V为单片机供电。降压设计分两步，一：选用输出电压精度高，输出电流大的模块电源，将电压从12V转换成5V；二：选用三端集成稳压器将电压从5V转换成3.3V。

3.2 温度检测电路

温度检测模块是温控系统的前提和保障，为系统实时采集精确度高、稳定性好的温度。设计选用信号强、精度高、稳定性好、复现性好的铂电阻作为温度传感器，采用三线制桥式接法，对铂电阻进行采样，如图2所示温度检测电路，该电路实现温控箱的实时温度采集转换为电压值输出。

3.3 键盘及显示电路

键盘及显示模块是温控系统实现人机交互的重要手段。本系统中显示器设定操作界面，包括：开机、设定、待机、运行、报警、结束等6个界面；键盘用来设定目标温度、时间、参数，以及控制系统的工作状态转换。显示器选用迪文屏幕型号DMT80480C070_03W，屏幕清晰，操作方便，反应灵敏，交互及时。设计键盘选用非编码键盘，采用中断方式工作。

4 温控系统设计（软件）

通过控制器实时检测烘干箱内的温度、时间等相關信息，并根据预设的参数对数据进行分析处理，控制分级，监控温度传感器等部件工作，若发现异常，控制单元能自我故障诊断并输出报警信号。整个控制软件采用模块化结构进行编写设计，遵循模块内部数据结构紧凑，模块数据之间关系松散的原则，便于编写、调试、修改、增删。

4.1 主程序设计

主程序模块的主要工作是上电后，对系统进行初始化，构建系统整体软件框架。初始化包括对单片机的初始化，A/D芯片初始化和串口初始化等。初始化完成后进行故障检测，包括：检测键盘、液晶屏，检测芯片以及单片机等芯片的工作，以确保系统的正常运行。如果存在故障，则启动自我诊断功能，判断故障类型，保存当前运行状态，输出报警信号，排除障碍后，进行复位恢复运行。系统无故障则等待温度、时间设定，若参数已经设定好，则判断系统运行键是否按下，若系统开始运行，将依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。如图3所示主程序流程图。

4.2 温控方案设计

PID控制从产生并发展至今已有百年历史，虽然现在各种先进控制算法层出不穷，但PID控制扔未被淘汰，源于其结构简单、参数易于整定，并且具有较好的鲁棒性，在控制技术领域依旧占据主导地位，广泛的应用于工业生产中。

PID控制的核心是数学模型及其参数的设定，本文结合温控箱的实际生产过程，存在被迫升温和自然降温的问题，设计控制算法时，将其看成一个线性系统，采用一个惯性环节结合一个纯滞后环节作为温控箱的数学模型。

5 结语

本文利用单片机设计了紫菜烘干机的温度控制系统，该系统运行可靠、成本低、维护方便、操作简单等特点。突破了传统加工易污染、效率低的问题，改善了一般温控加热滞后性、时变性的问题，实现了紫菜烘干的全过程监控，具有控制精度高、自适应强的特点。后期研究可将其扩展为其它水产品以及农产品的烘干控制系统，符合市场需求，实现产业化发展。

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[责任编辑：田吉捷]